Bài học

Số oxi hóa trong hợp chất phức tạp và ion đa nguyên tử

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em xác định được số oxi hóa của nguyên tố trong ion đa nguyên tử, nêu đúng hai trường hợp đặc biệt của oxygen và hydrogen, và tính được số oxi hóa trung bình khi một phân tử chứa nhiều nguyên tử cùng nguyên tố ở vị trí không hoàn toàn tương đương.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã thuộc bốn quy tắc xác định số oxi hóa, đặc biệt quy tắc 3: tổng số oxi hóa của một ion đa nguyên tử bằng chính điện tích của ion đó, khác với phân tử trung hòa có tổng bằng 0. Bài này khai thác sâu chính quy tắc đó cho những hợp chất và ion phức tạp hơn.

Khởi động

Thuốc tím KMnO₄ dùng sát khuẩn vết thương có màu tím đặc trưng và tính oxi hóa rất mạnh. Manganese trong đó mang số oxi hóa nào mà tạo nên tính chất ấy? Và trong một ion đa nguyên tử như $SO_4^{2-}$ , tổng số oxi hóa cộng lại có bằng 0 như phân tử trung hòa hay không?

Thuốc tím KMnO₄ dùng sát khuẩn vết thương có màu tím đặc trưng và tính oxi hóa rất mạnh. Manganese trong đó mang số oxi hóa nào mà tạo nên tính chất ấy? Và trong một ion đa nguyên tử như $SO_4^{2-}$, tổng số oxi hóa cộng lại có bằng 0 như phân tử trung hòa hay không?

Kiến thức trọng tâm

Ion đa nguyên tử. Tổng số oxi hóa của các nguyên tử trong ion đa nguyên tử bằng điện tích của ion đó, không phải bằng 0. Với $SO_4^{2-}$ : O có SOH −2 × 4 = −8; gọi SOH của S là $x$ , ta có $x + (-8) = -2$ , suy ra $x = +6$ . Với $NH_4^+$ : H có SOH +1 × 4 = +4; gọi SOH của N là $y$ , $y + 4 = +1$ , suy ra $y = -3$ .

Hai trường hợp đặc biệt cần nhớ chính xác. Trong hợp chất peroxide (H₂O₂, Na₂O₂), oxygen mang SOH −1 thay vì −2 thông thường, vì liên kết O–O trong nhóm peroxide không lệch electron. Trong hydride kim loại (NaH, CaH₂), hydrogen mang SOH −1 thay vì +1, vì kim loại có độ âm điện nhỏ hơn hydrogen nên electron liên kết lệch về phía H.

Số oxi hóa trung bình. Khi một phân tử chứa nhiều nguyên tử cùng nguyên tố nhưng thực tế không ở cùng một trạng thái liên kết — như $Fe_3O_4$ , vốn có thể viết thành $FeO \cdot Fe_2O_3$ — người ta vẫn coi cả phân tử là một khối và áp dụng quy tắc tổng bằng 0 để tính ra một số oxi hóa trung bình cho nguyên tố đó. Với $Fe_3O_4$ : O là −2 × 4 = −8; gọi SOH trung bình của Fe là $x$ , ta có $3x - 8 = 0$ , suy ra $x = +\dfrac{8}{3}$ . Con số phân số này không có nghĩa mỗi nguyên tử Fe mang đúng +8/3 — thực chất $Fe_3O_4$ gồm 1 nguyên tử Fe²⁺ và 2 nguyên tử Fe³⁺, trung bình cộng lại đúng bằng +8/3 — nhưng ở mức phổ thông, số oxi hóa trung bình là công cụ đủ dùng để tính toán bài tập mà không cần phân tích cấu trúc tinh thể sâu hơn.

Áp dụng cho $KMnO_4$ : K nhóm IA nên SOH cố định +1; O là −2 × 4 = −8; gọi SOH của Mn là $x$ , $1 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +7$ — chính là số oxi hóa cao nhất Mn có thể đạt, lí giải vì sao $KMnO_4$ có tính oxi hóa rất mạnh.

**Ion đa nguyên tử.** Tổng số oxi hóa của các nguyên tử trong ion đa nguyên tử bằng điện tích của ion đó, không phải bằng 0. Với $SO_4^{2-}$: O có SOH −2 × 4 = −8; gọi SOH của S là $x$, ta có $x + (-8) = -2$, suy ra $x = +6$. Với $NH_4^+$: H có SOH +1 × 4 = +4; gọi SOH của N là $y$, $y + 4 = +1$, suy ra $y = -3$. **Hai trường hợp đặc biệt cần nhớ chính xác.** Trong hợp chất peroxide (H₂O₂, Na₂O₂), oxygen mang SOH −1 thay vì −2 thông thường, vì liên kết O–O trong nhóm peroxide không lệch electron. Trong hydride kim loại (NaH, CaH₂), hydrogen mang SOH −1 thay vì +1, vì kim loại có độ âm điện nhỏ hơn hydrogen nên electron liên kết lệch về phía H. **Số oxi hóa trung bình.** Khi một phân tử chứa nhiều nguyên tử cùng nguyên tố nhưng thực tế không ở cùng một trạng thái liên kết — như $Fe_3O_4$, vốn có thể viết thành $FeO \cdot Fe_2O_3$ — người ta vẫn coi cả phân tử là một khối và áp dụng quy tắc tổng bằng 0 để tính ra một số oxi hóa trung bình cho nguyên tố đó. Với $Fe_3O_4$: O là −2 × 4 = −8; gọi SOH trung bình của Fe là $x$, ta có $3x - 8 = 0$, suy ra $x = +\dfrac{8}{3}$. Con số phân số này không có nghĩa mỗi nguyên tử Fe mang đúng +8/3 — thực chất $Fe_3O_4$ gồm 1 nguyên tử Fe²⁺ và 2 nguyên tử Fe³⁺, trung bình cộng lại đúng bằng +8/3 — nhưng ở mức phổ thông, số oxi hóa trung bình là công cụ đủ dùng để tính toán bài tập mà không cần phân tích cấu trúc tinh thể sâu hơn. Áp dụng cho $KMnO_4$: K nhóm IA nên SOH cố định +1; O là −2 × 4 = −8; gọi SOH của Mn là $x$, $1 + x - 8 = 0 \Rightarrow x = +7$ — chính là số oxi hóa cao nhất Mn có thể đạt, lí giải vì sao $KMnO_4$ có tính oxi hóa rất mạnh.

Cùng một nguyên tố Mn có thể mang nhiều mức số oxi hóa khác nhau tùy hợp chất — biên độ từ 0 đến +7 giải thích vì sao

KMnO_4

có tính oxi hóa mạnh hơn hẳn

MnO_2

hay

MnCl_2

.Cùng một nguyên tố Mn có thể mang nhiều mức số oxi hóa khác nhau tùy hợp chất — biên độ từ 0 đến +7 giải thích vì sao $KMnO_4$ có tính oxi hóa mạnh hơn hẳn $MnO_2$ hay $MnCl_2$.

Ví dụ

Xác định số oxi hóa trong ion SO₄²⁻ và NH₄⁺

1
Xác định số oxi hóa của S trong $SO_4^{2-}$ và của N trong $NH_4^+$ .
Xác định số oxi hóa của S trong $SO_4^{2-}$ và của N trong $NH_4^+$.
2
O có SOH −2, bốn nguyên tử O đóng góp −8. Vì đây là ion mang điện tích −2 (không phải phân tử trung hòa), tổng số oxi hóa bằng −2 chứ không bằng 0: gọi SOH của S là $x$ , ta có $x - 8 = -2 \Rightarrow x = +6$ .
O có SOH −2, bốn nguyên tử O đóng góp −8. Vì đây là ion mang điện tích −2 (không phải phân tử trung hòa), tổng số oxi hóa bằng −2 chứ không bằng 0: gọi SOH của S là $x$, ta có $x - 8 = -2 \Rightarrow x = +6$.
3
H có SOH +1, bốn nguyên tử H đóng góp +4. Ion mang điện tích +1 nên tổng bằng +1: gọi SOH của N là $y$ , ta có $y + 4 = +1 \Rightarrow y = -3$ .
H có SOH +1, bốn nguyên tử H đóng góp +4. Ion mang điện tích +1 nên tổng bằng +1: gọi SOH của N là $y$, ta có $y + 4 = +1 \Rightarrow y = -3$.
4
Vậy $\overset{+6}{S}$ trong $SO_4^{2-}$ và $\overset{-3}{N}$ trong $NH_4^+$ — điểm mấu chốt là luôn lấy tổng bằng đúng điện tích ion, không mặc định bằng 0.
Vậy $\overset{+6}{S}$ trong $SO_4^{2-}$ và $\overset{-3}{N}$ trong $NH_4^+$ — điểm mấu chốt là luôn lấy tổng bằng đúng điện tích ion, không mặc định bằng 0.

Ví dụ

Số oxi hóa trung bình của Fe trong Fe₃O₄

1
$Fe_3O_4$ (quặng manhetit) là một trong những nguồn quặng sắt quan trọng để luyện gang. Xác định số oxi hóa trung bình của Fe trong $Fe_3O_4$ .
$Fe_3O_4$ (quặng manhetit) là một trong những nguồn quặng sắt quan trọng để luyện gang. Xác định số oxi hóa trung bình của Fe trong $Fe_3O_4$.
2
O có SOH −2, bốn nguyên tử O đóng góp −8. $Fe_3O_4$ là phân tử trung hòa nên tổng SOH bằng 0: gọi SOH trung bình của Fe là $x$ , có ba nguyên tử Fe nên $3x - 8 = 0$ .
O có SOH −2, bốn nguyên tử O đóng góp −8. $Fe_3O_4$ là phân tử trung hòa nên tổng SOH bằng 0: gọi SOH trung bình của Fe là $x$, có ba nguyên tử Fe nên $3x - 8 = 0$.
3
Suy ra $x = \dfrac{8}{3} \approx +2{,}67$ .
Suy ra $x = \dfrac{8}{3} \approx +2{,}67$.
4
Đây là số oxi hóa TRUNG BÌNH, vì thực tế $Fe_3O_4$ có thể viết thành $FeO \cdot Fe_2O_3$ , tức chứa 1 Fe²⁺ và 2 Fe³⁺; trung bình cộng của +2, +3, +3 chính là +8/3, khớp với kết quả vừa tính bằng quy tắc.
Đây là số oxi hóa TRUNG BÌNH, vì thực tế $Fe_3O_4$ có thể viết thành $FeO \cdot Fe_2O_3$, tức chứa 1 Fe²⁺ và 2 Fe³⁺; trung bình cộng của +2, +3, +3 chính là +8/3, khớp với kết quả vừa tính bằng quy tắc.
5
Vậy số oxi hóa trung bình của Fe trong $Fe_3O_4$ là +8/3 — con số phân số là hợp lệ và sẽ còn dùng lại khi cân bằng phản ứng nhiệt nhôm ở chương sau.
Vậy số oxi hóa trung bình của Fe trong $Fe_3O_4$ là +8/3 — con số phân số là hợp lệ và sẽ còn dùng lại khi cân bằng phản ứng nhiệt nhôm ở chương sau.

Ví dụ

Xác định số oxi hóa của Cr trong Cr₂O₇²⁻

1
Ion $Cr_2O_7^{2-}$ (dichromate) có màu cam đặc trưng, thường gặp trong đề thi vì có hai nguyên tử Cr trong cùng một ion. Xác định số oxi hóa của Cr trong ion này.
Ion $Cr_2O_7^{2-}$ (dichromate) có màu cam đặc trưng, thường gặp trong đề thi vì có hai nguyên tử Cr trong cùng một ion. Xác định số oxi hóa của Cr trong ion này.
2
O có SOH −2, bảy nguyên tử O đóng góp −14. Ion mang điện tích −2 nên tổng SOH bằng −2: gọi SOH của Cr là $x$ , có hai nguyên tử Cr nên $2x - 14 = -2$ .
O có SOH −2, bảy nguyên tử O đóng góp −14. Ion mang điện tích −2 nên tổng SOH bằng −2: gọi SOH của Cr là $x$, có hai nguyên tử Cr nên $2x - 14 = -2$.
3
$2x = 12 \Rightarrow x = +6$ .
$2x = 12 \Rightarrow x = +6$.
4
Vậy $\overset{+6}{Cr}$ trong $Cr_2O_7^{2-}$ — cùng mức oxi hóa cao với S trong $SO_4^{2-}$ đã tính ở ví dụ trước, một dấu hiệu cho thấy cả hai đều là những chất oxi hóa mạnh thường gặp trong phòng thí nghiệm.
Vậy $\overset{+6}{Cr}$ trong $Cr_2O_7^{2-}$ — cùng mức oxi hóa cao với S trong $SO_4^{2-}$ đã tính ở ví dụ trước, một dấu hiệu cho thấy cả hai đều là những chất oxi hóa mạnh thường gặp trong phòng thí nghiệm.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất khi gặp ion đa nguyên tử là vẫn lấy tổng số oxi hóa bằng 0 như với phân tử trung hòa, quên mất phải lấy bằng đúng điện tích của ion. Sai lầm thứ hai là thấy kết quả ra phân số (như +8/3 của Fe trong $Fe_3O_4$ ) liền cho là tính sai — số oxi hóa trung bình phân số là kết quả hợp lệ, không phải dấu hiệu nhầm lẫn.

Sai lầm phổ biến nhất khi gặp ion đa nguyên tử là vẫn lấy tổng số oxi hóa bằng 0 như với phân tử trung hòa, quên mất phải lấy bằng đúng điện tích của ion. Sai lầm thứ hai là thấy kết quả ra phân số (như +8/3 của Fe trong $Fe_3O_4$) liền cho là tính sai — số oxi hóa trung bình phân số là kết quả hợp lệ, không phải dấu hiệu nhầm lẫn.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Với ion đa nguyên tử, tổng số oxi hóa bằng điện tích ion, không phải 0. Peroxide: O = −1. Hydride kim loại: H = −1. Khi nhiều nguyên tử cùng nguyên tố không tương đương về liên kết (như Fe trong Fe₃O₄), số oxi hóa tính được là giá trị trung bình, có thể là phân số.

Bài tiếp theo dùng đúng những con số số oxi hóa vừa học để định nghĩa chính xác thế nào là oxi hóa, thế nào là khử, và xác định ai là chất oxi hóa, ai là chất khử trong một phản ứng cụ thể.